孫成輝、王立軍、林海成、路建強、柳偉
(中交基礎設施養(yǎng)護集團寧夏工程有限公司,寧夏銀川 750001)
近年來,公路養(yǎng)護里程快速增加,科學、合理、高效地進行公路養(yǎng)護管理成為發(fā)展的重點?,F(xiàn)階段,通過應用先進的傳感器和物聯(lián)網等技術,實現(xiàn)了公路自動巡查、大數據決策、仿真化設計。隨著養(yǎng)護發(fā)展新需求的多元化,契合國家創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略、科技驅動企業(yè)發(fā)展的理念,全景化感知、全方位巡查和快速精準養(yǎng)護,實現(xiàn)養(yǎng)護產業(yè)數字化已成為“十四五”公路養(yǎng)護發(fā)展的重要方向。
寧夏固原片區(qū)有高速公路5 條,養(yǎng)護里程456.543km;主線總里程406.436km,匝道及連接線總里程50.107km。橋梁673 座,其中特大橋4 座、大橋192 座、中橋176 座、小橋301 座。隧道單洞累計長41.578km/14座(特長隧道單洞長18.97km/1 座,長隧道單洞長11.069km/3 座,中隧道單洞長8.94km/6 座,短隧道單洞長2.599km/4 座),屬于典型的山區(qū)高速公路。其中六盤山特長隧道單洞全長18.97km,是目前西北高海拔地區(qū)較長隧道。高速公路養(yǎng)護項目包含日常養(yǎng)護巡查巡檢,保潔保養(yǎng),小修維護,路產路權維護照管,路基、路面、橋涵、隧道、交安、綠化、機電、站房等設施維護保養(yǎng),大型特大型橋梁檢查保養(yǎng),六盤山特長隧道土建、機電設施檢查保養(yǎng),高速公路保暢保通,應急事故處理等。
固原市位于中國黃土高原的西北邊緣,境內以六盤山為南北脊柱,片區(qū)高速公路主要為國家高速公路,交通量大、社會影響大、運營時間長,道路技術狀況較差,為片區(qū)養(yǎng)護的重點路段。主要存在橋隧占比高,高速公路養(yǎng)護受季節(jié)影響較為明顯等問題,夏季水毀搶修、冬季除雪保暢任務重。地質情況復雜:橋頭跳車、濕陷性黃土沉陷路段較多;高邊坡滑坡、隧道口泥石流等地質災害頻發(fā);冬季冰雪等惡劣天氣時間較長;春融凍脹及冰雪對路面及防護設施損害問題突出等。
目前的日常養(yǎng)護巡查巡檢、經常性檢查等工作任務,主要依靠技術人員目測及攜帶簡易測量工具作業(yè),機動性差、巡查周期長,部分橋梁跨度大、凈空高,人工巡查難度大,技術人員數量有限且能力參差不齊。寧夏南部地區(qū)濕陷性黃土地段頗多,地質原因導致高邊坡滑坡較為常見。尤其在汛期,須加大巡查頻率,發(fā)現(xiàn)問題往往比病害出現(xiàn)滯后。
隨著高速公路養(yǎng)護標準不斷提高,傳統(tǒng)養(yǎng)護巡查模式難以滿足日常的養(yǎng)護巡查要求。對于山區(qū)高速公路日常養(yǎng)護,迫切需要探索一條新的途徑或方法,既能將日常養(yǎng)護巡查巡檢簡單化、便捷化和高效化,又能快速、準確、直觀地獲取信息。
無人機是一種快速、自動化程度高的低空空域飛行器,通過低空空域審批后,可以在公路紅線范圍內合法飛行,可利用空域資源優(yōu)勢,將無人機綜合應用到資產管理維護、公路日常巡查、技術狀況評定、災害防治等多個方面,能夠提高公路日常巡查和維護效率[1-3]。借助無人機,養(yǎng)護單位可以快速、便捷地觀測和檢查公路構造物及處理安全隱患,獲得準確、及時、直觀的病害信息,以便作出更準確的養(yǎng)護管理決策。
作為一種可靠的技術手段,無人機在高速公路養(yǎng)護中的應用價值體現(xiàn)在以下方面。
利用無人機在事故多發(fā)路段進行巡查巡檢,便于第一時間充分了解事故現(xiàn)場情況,快速部署、實時響應,為救援人員提供充分的準備時間,降低人民生命財產損失。三維模型的建立能夠為BIM 模型數據和路面的真實交互提供連接通道,從而為相關單位提供效果良好、成本較低的解決方案,同時能極大地提高災害救援的智慧水平,為救援工作提供最有效的技術支持。
關于無人機在公路養(yǎng)護中的應用項目研究跨越了多管理維度、多種業(yè)務組合、系列化發(fā)展體系和工程應用的各個階段。相關研究能夠為無人機檢測新技術的研發(fā)提供借鑒,推動行業(yè)的技術進步。利用無人機是公路養(yǎng)護的創(chuàng)新性發(fā)展標志,能夠為養(yǎng)護的數字化、精準化、動態(tài)化、智能化“四化”提供支撐,使公路養(yǎng)護由二維向三維空間衍變,是智慧養(yǎng)護的發(fā)展方向之一。
無人機巡查具有以下特點:不需要中斷交通,單次巡查成本低,巡查效率高。無人機能夠及時發(fā)現(xiàn)路橋病害,并快速高效地巡查路橋技術狀況,從而提高巡查效率和病害識別的準確性、全面性。通過數據分析判斷,可以及時制訂養(yǎng)護策略,省時省工,有較高的經濟效益。
例如,利用無人機進行巡查,可以第一時間了解路面、橋梁、隧道洞口的結冰情況,并根據路段積雪厚度、結冰等情況采取相應的除冰、除雪措施。無人機還能夠及時發(fā)現(xiàn)塌方、滑坡等邊坡隱患,實時觀察并提供預警,保障車輛行駛安全,以及預防和控制公路沿線的突發(fā)性災害。
傳統(tǒng)的人工巡查巡檢方式受環(huán)境地形限制,工作人員的作業(yè)強度大、安全風險大,且效率不高。相比之下,無人機能快速完成巡查任務,特別是在地勢陡峭、高填方深挖區(qū)域,無人機的優(yōu)勢更加明顯,能夠避免安全風險問題。
第一,在小修施工現(xiàn)場及日常養(yǎng)護作業(yè)現(xiàn)場借助無人機進行安全布控,隨時進行巡查,及時發(fā)現(xiàn)問題、傳達命令,便于及時整改,確保工作人員安全。
第二,在公路用地、建筑控制區(qū)內,借助無人機對設施進行實時監(jiān)測,甄別違建、破壞、偷盜行為,實時報警,聯(lián)合相關部門及時進行處治。
第三,發(fā)生較大自然災害(如地震、滑坡、水毀、泥石流、冰雪災害等)時需要及時清理道路堵塞、解決塌方等問題。無人機具備準備時間短、不受地形限制、觀測范圍廣、觀測角度不受限制等特性,可對災害現(xiàn)場和阻塞路段進行多角度觀測。無人機還可以貼近危險區(qū)近距離觀測,能夠為應急指揮人員提供所需的現(xiàn)場影像資料及判斷依據,幫助應急指揮人員及時對事故現(xiàn)場作出準確的判斷、采取合理的應急措施,既能降低事故傷亡風險,又能節(jié)省時間、提高效率[4-5]。
第四,無人機上可以搭載紅外測量儀、熱成像儀等先進設備,可以對阻塞、塌方體進行測量,第一時間計算出體積,為應急搶通保暢提供有效的數據支持,為應急救援爭取時間;熱成像儀通過對塌方體進行掃描,可以確定是否有被困人員,便于及時營救。
將無人機技術與路面病害檢測技術相結合,可以充分發(fā)揮無人機自動化程度高、能耗低的優(yōu)勢,顯著降低工作人員的勞動強度。將現(xiàn)有的數字圖像處理技術與無人機航拍功能相結合,設計無人機道路路面識別算法流程,通過高速公路路基、沿線設施識別,公路病害識別等步驟,可實現(xiàn)對公路病害的識別和監(jiān)測。
第一,可以對路基邊坡坍塌、水毀、路基沉降、排水設施堵塞、高邊坡失穩(wěn)等病害進行實時監(jiān)測,通過影像與數字化轉換分析,判斷損壞程度,進而采取合理的處治措施。
第二,對路面沉陷、車轍、波浪擁包、坑槽等病害,通過航拍圖像進行初步分析和具體定位。
第三,對隔離柵缺損、標志缺損、標線缺損等公路沿線設施損壞,以及綠化管護不善等問題進行實時監(jiān)控,以便于及時采取維修措施,消除安全隱患。
第四,實現(xiàn)路基技術狀況指數(SCI)、沿線設施技術狀況指數(TCI)、路面損壞狀況指數(PCI)自動評定,為公路全路況自動化評定打下基礎,為后期高速公路路面監(jiān)測、養(yǎng)護提供大量數據支持,為路面病害處理提供理論依據。
高速公路山區(qū)段邊坡是巡查和養(yǎng)護的重點,也是難點之一。在有大降雨發(fā)生時,如果排水設施出現(xiàn)異常,容易引發(fā)邊坡滑坡、內部破壞變形等問題,因此定期巡查和養(yǎng)護邊坡十分必要[6]。然而,傳統(tǒng)的邊坡巡查方式是人工巡查,工作人員攀爬邊坡既耗時費力,又存在安全隱患。此外,由于山區(qū)邊坡地形復雜、地勢險要,僅靠人工無法巡查到邊坡的每一處,會存在多處盲點和死角,整體工作效率較低。
無人機小巧靈活、測量精度高,且不受氣象和地理條件限制,可以根據高速公路邊坡養(yǎng)護巡查的內容和要求制訂自動巡查路線,能夠減少工作人員數量和工作量[7-8]。無人機能夠到達工作人員無法到達的危險位置和巡查死角,并從多個角度采集信息。同時,無人機可以將拍攝的視頻和圖片等數據信息即時上傳至指揮中心,幫助工作人員準確判別邊坡狀態(tài),并選取病害點或病害嫌疑點作為二次巡查的采集點,進而制訂針對性的邊坡養(yǎng)護方案。
隨著無人機技術的發(fā)展,目前可利用大疆M300型無人機掛載紅外熱像儀和大疆御2 行業(yè)進階版無人機掛載高分辨率光學相機進行公路橋梁專項病害檢測。這些無人機可以在高空任意點懸停,并通過攝像系統(tǒng)對特定位置的檢測對象進行攝像,實現(xiàn)圖像數據采集。具體來說,機載的紅外熱像儀主要采集公路橋梁主體構件的熱成像,機載攝像機則主要采集公路橋梁底面、節(jié)點板等構件的細部圖像。
目前,搭載無人機的攝像系統(tǒng)能夠實時傳輸模擬圖像數據,通過掃描拾取圖像信號、壓縮頻帶、信道處理形成圖像信號,這樣地面站可以實時了解攝像機、紅外熱像儀的掃描過程,并為數字圖像和熱成像攝取提供數據保障[9-10]。結合養(yǎng)護部門提供的相關資料及現(xiàn)有的智能化養(yǎng)護平臺,在Matlab 語言(C 語言)環(huán)境下,通過去噪、銳化、圖像增強等手段提取橋梁檢測對象的數字圖像特征,可以通過病害算法智能輸出橋梁橋面坑槽、車轍、擁包、錯臺、伸縮裝置破損、墩柱破損、支座變形、板底裂縫等病害的檢測結果及養(yǎng)護方法。
雖然目前無人機技術無法實現(xiàn)隧道內部病害巡查,但通過樣本數據庫提供的照片,可以對隧道洞口邊坡有無危石、積水、積雪,構造物有無開裂、傾斜、沉陷,以及洞門結構有無開裂、傾斜、沉陷、錯臺、起層、剝落、滲漏水等病害進行初步判斷。
可利用無人機對高速公路紅線內的路面、沿線設施、路基等進行不同角度、方位的巡航與拍攝,并結合傾斜攝影技術,形成公路資產三維點云數據,實現(xiàn)數字公路平臺搭建[11]。同時,對傳統(tǒng)的資產管理系統(tǒng)進行改造升級,利用ArcGIS(地理信息系統(tǒng))架構及DEM(數字高程模型)數據庫,將三維點云數據通過BIM 模型的方式疊加到原有GIS 地圖上,將公路自動化評價的檢測、養(yǎng)護、應急等多種數據進行疊加,最終形成高精度公路資產管理系統(tǒng),為基礎數據查詢、道路橋梁檢評、病害分布分析、養(yǎng)護工程規(guī)劃等提供支持,為高速公路養(yǎng)護提供支撐,達到公路資產設施全要素數字化、公路布局節(jié)點全動態(tài)感知化、公路資產數據治理標準統(tǒng)一化、公路業(yè)務協(xié)同治理全壽命智能化。
隨著無人機技術的不斷發(fā)展和工程實踐的深入,無人機已廣泛應用于公路養(yǎng)護的各個層面,如日常巡查、結構物檢查、應急保通、工程勘察、資產管理、數據分析等。相較于傳統(tǒng)的高速公路養(yǎng)護方式,無人機具有更高的機械化水平、更短的巡查周期、更高的巡查效率和更高的安全性。通過搭載先進的檢測設備或攝像頭,無人機可以直觀、準確地獲取高速公路養(yǎng)護所需的數據資料,并具有高精度、高自動化、高可信度等優(yōu)點,能夠提升高速公路養(yǎng)護水平和管理能力,并創(chuàng)造更大的社會和經濟效益。